Cuando se trata de sensores biométricos, la piel humana no es un aliado.
Es un obstáculo.
La Universidad de Cincinnati está desarrollando métodos de vanguardia para superar esta barrera sin comprometer la piel y su capacidad para prevenir infecciones y deshidratación. Al realizar mejores pruebas no invasivas, los investigadores pueden abrir enormes oportunidades en la medicina y la industria del fitness.
"Piensas en la piel como una oportunidad porque puedes medir las cosas a través de ella óptica, química, eléctrica y mecánicamente", dijo Jason Heikenfeld, vicepresidente asistente de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UC. "Pero en realidad es lo contrario.El cuerpo ha evolucionado para preservar todos estos analitos químicos. Por lo tanto, la piel no es muy buena para deshacerse de ellos ".
Heikenfeld, director del Laboratorio de Dispositivos Nuevos de la UC, fue coautor de una revisión crítica de la investigación de sensores este mes con sus estudiantes y colegas para la revista de nanotecnología Laboratorio en un chip , que describe tanto los logros científicos hasta la fecha como los desafíos futuros.
"Queríamos que todo el progreso actual y las direcciones y necesidades futuras se consolidaran en un artículo", dijo Andrew Jajack, coautor y estudiante de ingeniería de la UC. Jajack diseñó la imagen y el gráfico que aparece en la portada de la revista y que muestra lacuatro formas en que los sensores pueden leer datos biométricos en un atleta de pista.
El artículo, escrito en coautoría por líderes internacionales en biosensores, discutió la creciente popularidad de los dispositivos portátiles como Fitbit y exploró las limitaciones de la tecnología actual.
La piel puede proporcionar datos engañosos a los biosensores, ya que alberga bacterias y tiende a acumular sal y otros minerales del sudor seco. Un sensor eficaz tiene que doblarse y estirarse como la piel humana, incluso cuando se adhiere a la superficie cuando el sujeto se mueveLos sensores eléctricos que rastrean los latidos de su corazón deben tener en cuenta el ruido tanto del interior del cuerpo como del entorno, como el de las líneas eléctricas o los dispositivos electrónicos cercanos.
Heikenfeld dijo que los biosensores en la mayoría de los dispositivos portátiles utilizan tecnología que ha estado disponible durante años.
"La última tendencia no ha sido impulsada por avances tecnológicos", dijo. "Cuando piensas en Fitbit, estas capacidades existen desde hace mucho tiempo. Lo que las impulsa es la proliferación de teléfonos inteligentes y la miniaturización de la electrónica y un deseo crecientepara concienciar sobre la salud. "
La UC tiene una larga historia con biosensores. El fallecido Leland Clark Jr., a veces llamado "el padre de los biosensores", realizó una investigación en la Facultad de Medicina de la UC y en la Fundación de Investigación del Hospital Infantil de Cincinnati. Entre sus muchas hazañas, desarrolló el modernomonitor de glucosa en sangre que usan los diabéticos en la actualidad y los primeros sensores para medir los niveles de oxígeno en sangre de un paciente.
"Los sensores son un gran problema aquí", dijo Heikenfeld. "Es algo en lo que hemos tenido una fuerza histórica con los pioneros en el campo".
La investigación de UC en sensores sigue siendo una tubería para la industria. Heikenfeld es cofundador y director científico de Eccrine Systems Inc., una empresa de Cincinnati que se especializa en biosensores de sudor.
Eccrine Systems anunció este mes que ganó un contrato de $ 750,000 con la Fuerza Aérea de los EE. UU. Para estudiar biomarcadores del sudor humano en tiempo real. Marca la segunda fase de un contrato de investigación inicial con el ejército.
"Tratamos de conocer los negocios de otras personas mejor que ellos. No se puede innovar a menos que esté dispuesto a profundizar mucho más que la competencia", dijo.
Jajack dijo que Eccrine Systems, Inc. está trabajando en nuevas formas de rastrear la información biométrica de forma continua a lo largo del tiempo.
"Muchas de las formas en que diagnosticamos enfermedades se basan en marcadores de un solo momento en el tiempo. Pero la promesa de los sensores portátiles es el monitoreo de la salud en tiempo real", dijo. "Puede ver una imagen más compleja de lo queen el cuerpo. Eso solo conducirá a más técnicas de diagnóstico en un espectro de enfermedades ".
Los estudiantes del Laboratorio de Dispositivos Nuevos de la UC, ubicado en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, están ideando formas innovadoras de obtener información del sudor humano. Estos dispositivos son del tamaño de una curita y se usan en la piel como si fueran una, también.
Los estudiantes Adam Hauke y Phillip Simmers están trabajando en la próxima generación de sensores estimulantes del sudor de la UC. Estos dispositivos generan sudor en una pequeña parte de la piel, incluso cuando el sujeto está descansando y cómodo, y lo transmiten a sensores que miden sustancias comoglucosa. Los biosensores recogen y concentran la menor cantidad de sudor en muestras que los sensores pueden leer.
"Estimularemos la sudoración en esta área y luego esto comenzará a recoger el sudor de la piel, sacándolo de los poros y moviéndolo hacia arriba a través de estos electrodos aquí", dijo Hauke. "Ahí es donde hacemos la detección."
Entre sus otras capacidades, el dispositivo mide la respuesta galvánica de la piel, una indicación de cuánto está sudando alguien, dijo.
"Cuanto más sudas, más húmeda está tu piel y la resistencia eléctrica disminuye", dijo.
La Sociedad de Química y Micro-Nano Systems reconoció a Hauke y Simmers con su Premio al Joven Investigador el año pasado por su estudio colaborativo en la detección y muestreo continuo del sudor.
En una parte diferente del Laboratorio de Dispositivos Novedosos, la estudiante de ingeniería Laura Stegner trabajó con una fresadora para personalizar los sensores de caudal. Frente a ella, su compañera Amy Drexelius trabajó en la parte del dispositivo que puede separar y concentrar los analitos quequiere probar en sudor o sangre.
"Queremos concentrar la muestra. Por lo tanto, puede pegar esto en la parte frontal de su sensor y hace mucho trabajo de laboratorio de química que antes era duro", dijo.
Esta técnica podría aplicarse a otros rastros de sustancias químicas que los científicos quieren medir, dijo Jajack.
"Un gran problema hoy en día es la cantidad de productos farmacéuticos que se encuentran en nuestra agua potable", dijo Jajack. "Son difíciles de medir porque están muy diluidos. Incluso en concentraciones diluidas, podrían tener un efecto en nosotros."
Heikenfeld dijo que el éxito de su laboratorio se debe a sus talentosos estudiantes, que aplican sus diversos intereses y experiencias a su trabajo de laboratorio. El desarrollo de nuevos sensores y aplicaciones requiere la resolución de problemas que se basa en muchas disciplinas académicas.
"¿Con qué frecuencia vas a encontrar a alguien con un profundo conocimiento de la biología y la química que también haga hack-athons y también sea un gran fabricante?", Dijo Heikenfeld sobre Jajack. "Pero eso es lo que se necesita. Necesitamos innovaren disciplinas que no son nuestras áreas tradicionales de experiencia, por lo que no confiamos en que otros se muevan a velocidades a las que nuestras propias mentes creativas quieren correr. Lo estamos haciendo ahora debido a la calidad de las personas que tenemos aquí ".
Mover las aplicaciones de sensores del banco del laboratorio al estante de la tienda sigue siendo un gran desafío, dijo el profesor de química de la UC William Connick. Se desempeña como director del Centro de Biosensores y Sensores Químicos de la UC.
"Grupos como el del Dr. Heikenfeld están logrando avances notables en el desarrollo de tecnologías que brindan información sobre biomarcadores en niveles extremadamente bajos a partir de cantidades muy pequeñas de líquido como el sudor", dijo Connick.
"Pasar del laboratorio a un dispositivo práctico es un desafío cuando se trabaja con muestras del mundo real. Cada persona es un poco diferente. Cada circunstancia es un poco diferente", dijo. "Hacer algo que sea lo suficientemente robustodesempeñar con precisión en una amplia variedad de condiciones es un desafío ".
Connick dijo que la demanda de biosensores solo aumentará a medida que laboratorios como el de la UC desarrollen mejores formas de recopilar información. Y las pruebas en el hogar y el monitoreo continuo de los medicamentos a lo largo del tiempo podrían conducir a mejores resultados de salud, dijo.
"El mercado está muy abierto ahora. El potencial es gigantesco, solo en el ahorro de costos y en la posibilidad de proporcionar una detección rápida sin extraer sangre y tener que enviar muestras a un laboratorio", dijo Connick.
El artículo de la revista de Heikenfeld señaló que los biosensores del futuro medirán múltiples aspectos de la fisiología de una persona. Y los nuevos sensores portátiles necesitarán una combinación de piezas desechables y reutilizables para abordar el desgaste que conlleva la vida diaria.
Ahora, el Laboratorio de dispositivos novedosos de la UC está desarrollando una nueva técnica no invasiva para hacer que las glándulas sudoríparas sean más permeables para que los sensores puedan registrar datos aún más detallados. Heikenfeld y Jajack no están listos para hablar sobre cómo funciona, pero están muy entusiasmados con las posibilidades.
"Digamos que es seguro y súper asombroso", dijo Heikenfeld. "Se avecinan muchas cosas geniales".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cincinnati . Original escrito por Michael Miller. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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